acelerador de partículas - Wikilingue - Encydia
Os aceleradores de partículas são instrumentos que utilizam campos electromagnéticos para acelerar as partículas carregadas electricamente até atingir velocidades (e por tanto energias) muito altas, podendo ser próximas à da luz. Ademais, estes instrumentos são capazes de conter estas partículas. Um acelerador pode ser desde um cano de raios catódicos ordinário, dos que fazem parte dos televisores domésticos comuns ou dos monitores dos computadores, até grandes instrumentos que permitem explorar o mundo do infinitamente pequeno, em busca dos elementos fundamentais da matéria.
Existem dois tipos básicos de aceleradores: por um lado os lineares e por outro os circulares. Neste artigo descrever-se-ão os tipos mais comuns de aceleradores de partículas.
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Aceleradores de baixas energias
Ao invés da crença popular, os aceleradores de partículas não são aparelhos exclusivos de laboratórios sofisticados, senão que também se encontram muito presentes na vida quotidiana das pessoas, em forma de aceleradores de baixas energias. Exemplos muito singelos destes aceleradores, de elétrons principalmente, são os televisores ou monitores de computador (os modelos antigos que utilizam canos de raios catódicos, os quais podem se considerar aceleradores lineares de uma sozinha etapa) ou os aparelhos de raios X que podem encontrar nas clínicas dentais ou nos hospitais. Estes aceleradores de baixas energias utilizam um único par de eléctrodos aos que se lhes aplica uma diferença de potencial, directamente, de alguns milhares de volts. Em um aparelho de raios X aquece-se um filamento metálico que se encontra entre ambos eléctrodos mediante o passo de uma corrente eléctrica, emitindo deste modo elétrons. Esses elétrons são acelerados no campo eléctrico gerado entre ambos eléctrodos até atingir o eléctrodo que se utiliza como produtor de raios X, fabricado com um metal de alto Z (por exemplo o tungsteno). Também se utilizam aceleradores de partículas de baixas energias, chamados implantadores de iones, para a fabricação de circuitos integrados.
Aceleradores de altas energias
Aceleradores lineares
Os aceleradores lineares (muitas vezes usa-se o acrónimo em inglês linac) de altas energias utilizam um conjunto de placas ou canos situados em linha aos que se lhes aplica um campo eléctrico alternado. Quando as partículas se aproximam a uma placa se aceleram para ela ao aplicar uma polaridad oposta à sua. Justo quando a traspassam, através de um buraco praticado na placa, a polaridad se investe, de forma que nesse momento a placa repele a partícula, a acelerando por tanto para a seguinte placa. Geralmente não se acelera uma sozinha partícula, senão um contínuo de fazes de partículas, de forma que se aplica à cada placa um potencial alternado cuidadosamente controlado de forma que se repita de forma contínua o processo para a cada faz.
À medida que as partículas acercam-se à velocidade da luz, a velocidade de investimento dos campos eléctricos faz-se tão alta que devem operar a frequências de microondas, e por isso, em muito altas energias, se utilizam cavidades resonantes de frequências de rádio em lugar de placas.
Os tipos de aceleradores de corrente contínua capazes de acelerar às partículas até velocidades suficientemente altas como para causar reacções nucleares são os geradores Cockcroft-Walton ou os multiplicadores de potencial, que convertem uma corrente alternada a contínua de alto voltaje, ou bem geradores Vão de Graaf que utilizam electricidade estática transportada mediante fitas.
Estes aceleradores usam-se em muitas ocasiões como primeira etapa dantes de introduzir as partículas nos aceleradores circulares. O acelerador linear mais longo do mundo é o colisionador elétron-positrón Stanford Linear Accelerator (SLAC), de 3 km de longitude.
Estes aceleradores são os que se usam em radioterapia e radiocirugía. Estes aceleradores utilizam válvulas klistrón e uma determinada configuração de campos magnéticos, produzindo fazes de elétrons de uma energia de 6 a 30 milhões de electronvoltios (MeV). Em certas técnicas utilizam-se directamente esses elétrons, enquanto em outras se lhes faz colisionar contra um alvo de número atómico alto para produzir fazes de raios X. A segurança e confiabilidade destes aparelhos está a fazer retroceder às antigas unidades de cobaltoterapia .
Duas aplicações tecnológicas de importância nas que se usam este tipo de aceleradores são a espalación para a geração de neutrones aplicáveis aos amplificadores de potência para a transmutación dos isótopos radiactivos mais perigosos gerados na fisión.Aceleradores circulares
Estes tipos de aceleradores possuem uma vantagem acrescentada aos aceleradores lineares ao usar campos magnéticos em combinação com os eléctricos, podendo conseguir acelerações maiores em espaços mais reduzidos. Ademais as partículas podem permanecer confinadas em determinadas configurações teoricamente de forma indefinida.
No entanto possuem um limite à energia que pode se atingir devido à radiación sincrotrón que emitem as partículas carregadas ao ser aceleradas. A emissão desta radiación supõe uma perda de energia, que é maior quanto maior é a aceleração dada à partícula. Ao obrigar à partícula a descrever uma trajectória circular realmente o que se faz é acelerar a partícula, já que a velocidade muda seu sentido, e deste modo é inevitável que perca energia até igualar a que se lhe fornece, atingindo uma velocidade máxima.
Alguns aceleradores possuem instalações especiais que aproveitam essa radiación, às vezes chamada luz sincrotrón. Esta radiación utiliza-se como fontes de Raios X de alta energia, principalmente em estudos de materiais ou de proteínas por espectroscopia de raios X ou por absorción de raios X pela estrutura fina (ou espectrometría XAS).
Esta radiación é maior quando as partículas são mais ligeiras, pelo que se utilizam partículas muito ligeiras (principalmente elétrons) quando se pretendem gerar grandes quantidades desta radiación, mas geralmente se aceleram partículas pesadas, protones ou núcleos ionizados mais pesados, que fazem que estes aceleradores possam atingir maiores energias. Este é o caso do grande acelerador circular do CERN, onde o LEP, colisionador de elétrons e positrones, se substituiu pelo LHC, colisionador de hadrones .
Os aceleradores de partículas maiores e potentes, como o RHIC, o LHC (está programada sua posta em marcha no dia 10 de setembro de 2008) ou o Tevatrón se utilizam em experimentos de física de partículas.
Ciclotrón
O primeiro ciclotrón foi desenvolvido por Ernest Orlando Lawrence em 1929 na Universidade de Califórnia. Neles as partículas se injectam no centro de dois pares de ímans em forma de "D". A cada par forma um dipolo magnético e ademais carrega-se-lhes de forma que exista uma diferença de potencial alterna entre a cada par de ímans. Esta combinação provoca a aceleração.
Estes aceleradores têm um limite de velocidade baixo em comparação com os sincrotrones devido aos efeitos explicados anteriormente. Ainda assim as velocidades que se atingem são muito altas, telefonemas relativistas por ser próximas à velocidade da luz. Por este motivo costumam-se utilizar unidades de energia (electronvoltios e seus submúltiplos habitualmente) em lugar de unidades de velocidade. Por exemplo, para protones, o limite encontra-se em uns 10 MeV. Por este motivo os ciclotrones só se podem usar em aplicações de baixas energias. Existem algumas melhoras técnicas como o sincrociclotrón ou o ciclotrón síncrono, mas o problema não desaparece. Algumas máquinas utilizam várias fases acopladas para utilizar maiores frequências (por exemplo o rodotrón[1] ).
Estes aceleradores utilizam-se por exemplo para a produção de radioisótopos de uso médico (como por exemplo a produção de 18 F para seu uso nos PET), para a esterilização de instrumental médico ou de alguns alimentos, para alguns tratamentos oncológicos e na investigação. Também se usam para análise químicos, fazendo parte dos chamados espectrómetros de massas.
Para atingir energias superiores, da ordem dos GeV e superiores, é necessário utilizar sincrotrones. e cronometros
Sincrotrón
Um dos primeiros sincrotrones, que acelerava protones, foi o Bevatron construído no Laboratório nacional Brookhaven (Nova York), que começou a operar em 1952 , atingindo uma energia de 3 GeV.
O sincrotrón apresenta algumas vantagens com respeito aos aceleradores lineares e os ciclotrones. Principalmente que são capazes de conseguir maiores energias nas partículas aceleradas. No entanto precisam configurações de campos electromagnéticos bem mais complexos, passando dos simples dipolos eléctricos e magnéticos que usam o resto de aceleradores a configurações de cuadrupolos, sextupolos, octupolos e maiores.
Estes aceleradores levam associado o uso de maiores capacidades tecnológicas e industriais, tais como e entre outras muitas:
- o desenvolvimento de superconductores , capazes de criar os campos electromagnéticos necessários, sem a necessidade de elevar o consumo eléctrico até cotas impensables,
- sistemas de vazio , que permitam manter as partículas no conduto onde se mantêm as partículas, sem perdas do faz inadmissíveis,
- superordenadores, capazes de calcular as trajectórias das partículas nas diferentes configurações simuladas e, posteriormente, assimilar as enormes quantidades de dados geradas nas análises científicas dos grandes aceleradores como o LHC.
Ao igual que em outras áreas da tecnologia de ponta, existem múltiplos desenvolvimentos que se realizaram para sua aplicação nestes aceleradores que fazem parte da vida quotidiana das pessoas. Quiçá o mais conhecido foi o desenvolvimento da World Wide Site (comummente chamada site), desenvolvido para sua aplicação no LEP.
A única forma de elevar a energia das partículas com estes aceleradores é incrementar seu tamanho. Geralmente toma-se como refere a longitude do perímetro da circunferencia (realmente não formam uma circunferencia perfeita, senão um polígono o mais aproximado possível a esta). Por exemplo teríamos o LEP com 26,6 km, capaz de atingir os 45 GeV (91 GeV para uma colisão de duas fazes em sentidos opostos), actualmente reconvertido no LHC do que se prevêem energias superiores aos 7 TeV.
Aceleradores de maiores energias
Existem vários projectos para superar as energias que atingem os novos aceleradores. Estes aceleradores espera-se que sirvam para confirmar teorias como a Teoria da grande unificação e inclusive para a criação de buracos negros que confirmariam a teoria de supercuerdas.
Para 2015-2020 espera-se que se construa o Colisionador linear internacional,[2] um enorme linac de 40 km de longitude, inicialmente de 500 GeV que ampliar-se-iam até 1 TeV. Este acelerador utilizará um laser enfocado em um fotocátodo para a geração de elétrons. Em 2007 não se tinha decidido ainda que nação albergá-lo-ia.
O Supercolisionador superconductor[3] (SSC em inglês) era um projecto de um sincrotrón de 87 km de longitude em Texas que atingiria os 20 TeV. Abortou-se o projecto em 1993 .
Acha-se que a aceleração de plasmas mediante lasers conseguirão um incremento espectacular nas eficiências que se atinjam.[4] Estas técnicas têm atingido já acelerações de 200 GeV por metro, conquanto em distâncias de alguns centímetros, em comparação com os 0,1 GeV por metro que se conseguem com as radiofrequências.
Fundamentos físicos
Geração de partículas
As partículas carregadas (as únicas que podem acelerar os campos electromagnéticos presentes nos aceleradores) se geram de diversas formas. A forma mais singela é utilizar o próprio movimento que se gera ao aquecer um material. Isto se faz habitualmente aquecendo um filamento até seu incandescencia fazendo passar por ele uma corrente eléctrica, ainda que também se pode fazer enfocando um laser nele. Ao aumentar a temperatura também aumenta a probabilidade de que um elétron da corteza atómica a abandone momentaneamente. Se não existe um campo electromagnético perto que o acelere em direcção contrária este elétron (carregado negativamente) regressaria ao pouco tempo ao átomo ionizado (positivamente) ao se atrair o ónus opostos. No entanto, se colocamos cerca do filamento uma segunda placa, criando uma diferença de potencial entre o filamento e ela, conseguiremos acelerar o elétron.
Se nessa placa efectuamos um pequeno buraco, e depois dele um conduto ao que se lhe tenha extraído o ar, conseguiremos extrair elétrons. No entanto, se não existe esse buraco o elétron impactará contra a placa gerando raios X.
Quando se pretendem gerar protones, no entanto, é necessário ionizar átomos de hidrógeno (compostos unicamente por 1 protón e 1 elétron). Para isso pode se utilizar como primeira fase o singelo acelerador de elétrons descrito fazendo incidir o faz de elétrons ou de raios X sobre uma válvula recheada de gás hidrógeno. Se nessa válvula situamos de novo um par de placas sobre as que aplicamos um potencial obter-se-ão por um lado elétrons acelerados e pelo oposto, protones acelerados. Um exemplo deste tipo de aceleradores é o LANSCE no Laboratório Nacional Os Álamos (Estados Unidos).
Os positrones geram-se de forma similar, só que precisaremos fazer incidir fotones de energias superiores aos 1,1 MeV sobre um alvo (de ouro, tungsteno ou qualquer outro material pesado). Essa energia é a mínima necessária para criar um par elétron-positrón. A eficiência desta geração é muito pequena, com o que nos colisionadores elétron-positrón se gasta grande parte da energia consumida neste processo.
Actualmente existe também interesse em gerar neutrones para os utilizar em máquinas transmutadoras. Para isso se utilizam protones gerados como se descreveu, que impactan sobre brancos cuja secção eficaz ou probabilidade de geração de neutrones seja alta. Ao não poder acelerar mais os neutrones (como se disse, só as partículas carregadas podem se acelerar), sua velocidade (ou energia) final dependerá exclusivamente da energia inicial do protón.
Praticamente todas as partículas descritas se utilizam para tratamentos médicos, já seja em diagnóstico (raios X, TAC, PET), como no tratamento de tumores sólidos (o uso de protones e neutrones se está a generalizar a cada vez mais para o tratamento de tumores de difícil tratamento).
Equações de Lorentz
Todos os aceleradores se regem pelas equações básicas do electromagnetismo desenvolvidas por Maxwell . No entanto, existe uma equação muito singela que serve para definir as forças que actuam na cada tipo de acelerador. Esta é a equação ou equações (quando se usam de forma separada) de Lorentz . A equação pode escrever-se de forma básica como:
onde 
é a força que sofre a partícula carregada dentro do campo electromagnético, q é o ónus da partícula carregada (-1 para o elétron, +1 para o positrón ou o protón, e maiores para núcleos pesados), 
é o valor do campo eléctrico, 
o campo magnético e 
a velocidade da partícula.
A equação traduz-se em que a partícula recebe uma aceleração que é proporcional a seu ónus e inversamente proporcional a sua massa. Ademais, os campos eléctricos empurram à partícula na direcção do movimento (o sentido dependerá do signo do ónus e do sentido do próprio campo eléctrico), enquanto os campos magnéticos curvam a trajectória da partícula (só quando o campo magnético é perpendicular à trajectória), empurrando para o centro de uma circunferencia cujo rádio dependerá da magnitude do campo magnético, da velocidade que possua a partícula nesse momento e de seu ónus e massa.
Em resumem, os campos eléctricos contribuem mudanças no módulo da velocidade da partícula, acelerando-a ou desacelerándola, enquanto os campos magnéticos fazem-na descrever trajectórias curvas sem modificar seu módulo (isto não é exactamente assim, já que as partículas perderão energia pela radiación sincrotrón, mas serve como primeira aproximação).
Componentes de um acelerador
Os aceleradores possuem uns quantos componentes básicos que são:
Vazio
Conduto do faz de partículas
Componentes geradores de forças
- Dipolos eléctricos. Aplica-se uma diferença de potencial, gerando um campo eléctrico entre duas placas ou canos. Isto faz que a partícula se acelere, como entre duas fases de um linac.
- Dipolos magnéticos. Cria-se um campo magnético (geralmente de forma artificial mediante bobinas) perpendicular à trajectória da partícula de forma que a curva. Por exemplo entre o D de um ciclotrón, fazendo-a descrever um arco de 180 graus para voltar à separação entre ambas. Também para curvar ligeiramente (arcos pequenos) o faz de partículas em um sincrotrón.
- Multipolos magnéticos. Utilizam-se para enfocar faze-los de partículas, de modo que os campos exerçam suas acções de forma mais eficiente e evitem-se perdas no trajecto.
Condutores geradores dos campos electromagnéticos
Sistemas de referigeração
Alvos
Para criar as partículas geradas nos grandes aceleradores precisam-se brancos, onde as partículas impactan, gerando uma enorme quantidade de partículas secundárias.
Os alvos podem-se distinguir entre fixos ou móveis. Nos fixos se engloban todos aqueles que fazem impactar as partículas aceleradas contra um alvo imóvel, como os aparelhos de raios X ou os utilizados na espalación. Nos móveis encontram-se aqueles que fazem impactar as próprias partículas entre elas, por exemplo nos colisionadores, duplicando deste modo de forma singela a energia que podem atingir os aceleradores.
Detectores
Para ver as partículas geradas no impacto contra o alvo são necessários os detectores, que actuariam como os olhos dos cientistas.
Um dos detectores mais conhecidos construídos para detectar as partículas criadas nas colisões é o ATLAS, instalado no LHC.
Uma versão singela do conjunto acelerador-branco-detector seria o aparelho de televisão. Neste caso o cano de raios catódicos é o acelerador, que impulsiona os elétrons para o ecrã revestido de fósforo interiormente que actuaria de alvo, transformando os elétrons em fotones (com energia na faixa do visível) que, se estivéssemos a olhar a televisão, impactarían nos cones e bastoncillos de nossas retinas (detectores), enviando sinais eléctricas a nosso cérebro (o supercomputador) que interpreta os resultados.
Projectos de investigação mais importantes
Veja-se também
- Acelerador de partículas circular
- Colisionador
- Acelerador de partículas médico
- Acelerador linear
- Betatrón
- Bevatron
- CERN
- GSI
- Ciclotrón
- LEP
- LHC
- Sincrociclotrón
- Sincrotrón
- Lista de aceleradores em física de partículas
